CN109263467A - 一种多轴特种车辆混合动力全电驱动系统 - Google Patents

一种多轴特种车辆混合动力全电驱动系统 Download PDF

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Abstract

一种多轴特种车辆混合动力全电驱动系统，包括至少两个基本单元和总控制器；每个基本单元包括动力模块、驱动模块和分控制器；总控制器，接收驾驶员操作指令，对驾驶意图进行解析，根据每个基本单元的状态，进行能量优化分配，根据能量优化分配结果向每个分控制器发送需求功率以及需求转矩；各分控制器根据接收的需求功率控制相应的动力模块使之工作在对应的工作点，根据需求转矩控制驱动模块工作。本发明能在满足高动力性要求的同时，根据行驶工况进行能量优化管理，提高经济性。

Description

一种多轴特种车辆混合动力全电驱动系统
技术领域
本发明属于多轴重型特种车辆技术。
背景技术
高动力性和高经济性是多轴特种车辆的重要追求。传统车辆使用发动机作为单一动力源，常用工况发动机负荷率低，经济性较差；急加速和高速工况下，由于发动机功率限制，动力性较差。因而，发动机与电机组成的混合动力系统逐渐在多轴特种车辆领域获得关注。
公开号CN201310581600.7发明专利公开了一种多轴轮式车辆混合电驱动系统，系统采用机械驱动与电驱动结合的方式。机械驱动段内采用发动机、变速箱与分动箱组成的传统动力传动装置，电驱动段内采用动力电池、电机与两档变速箱组成的电驱动装置。该发明简化了传动系统结构，但发动机与动力电池作为独立动力源工作，无法进行能量优化管理，经济性提升有限。
申请号CN201410342438.8发明专利公开了一种多轴重型越野车混合动力构型，与公开号CN201310581600.7发明专利类似，系统采用机械驱动与电驱动结合的方式，在发动机与变速箱之间增加了ISG电机，从而能对发动机工作点进行优化控制，在一定程度上提高了系统经济性。但受发动机和电池功率密度限制，动力性无法获得进一步提升。
发明内容
本发明的技术解决问题是：本发明的目的是提供一种适用于多轴特种车辆底盘并易于在四到八轴底盘之间扩展的混合动力系统，并能在满足高动力性要求的同时，根据行驶工况进行能量优化管理，提高经济性。
本发明的技术解决方案是：一种多轴特种车辆混合动力全电驱动系统，包括至少两个基本单元和总控制器；每个基本单元包括动力模块、驱动模块和分控制器；
总控制器，接收驾驶员操作指令，对驾驶意图进行解析，根据每个基本单元的状态，进行能量优化分配，根据能量优化分配结果向每个分控制器发送需求功率以及需求转矩；
各分控制器根据接收的需求功率控制相应的动力模块使之工作在对应的工作点；根据需求转矩控制驱动模块工作。
优选的，所述的总控制器包括驱动系统控制器和动力系统控制器；
驱动系统控制器，接收驾驶员操作指令，解析驾驶员意图，计算当前需求功率；并根据当前各基本单元状态，通过能量优化分配，计算各基本单元需求功率以及需求转矩；将所述的需求功率发送至动力系统控制器，将需求转矩发送至对应的分控制器；
动力系统控制器，根据接收的每个基本单元需求功率结合该基本单元下动力模块的当前状态，计算每个动力模块的需求功率，将上述需求功率发送至分控制器。
优选的，所述的能量优化分配具体通过下述方式实现：
控制其中任意一个基本单元进行工作；当当前需求功率超过单个基本单元能够提供的最大功率的80％时，则增加一个基本单元协同工作，将当前需求功率平均分配至每个工作的基本单元；当分配至每个基本单元的需求功率超过其最大功率的80％时，则继续增加一个基本单元协同工作，依此类推，直至所有基本单元参与工作。
优选的，基本单元参与工作的顺序按照如下原则进行确定：
以基本单元在车架上的位置、以车辆行进方向作为前后参考：中间位置的优先于两侧位置的；后方位置的优先于前方位置的。
优选的，所述的每个动力模块包括一个发动机、一个ISG发电机以及一个动力电池组；每个驱动模块包括高压配电箱及四个相同的轮边驱动系统，左右相对的两个轮边驱动系统构成一个驱动桥；发动机的输出作为ISG发电机的输入轴；每个轮边驱动系统中的驱动电机、ISG发电机、动力电池组均与高压配电箱连接；各基本单元的高压配电箱通过高压互联母线相连。
优选的，当某一基本单元中的动力模块故障时，通过高压互联母线从其他基本单元获取需求的功率；当某一基本单元中的驱动模块故障时，动力单元继续工作，通过高压互联母线为其他基本单元提供功率。
优选的，当当前需求功率未超过单个基本单元能够提供的最大功率的20％时，当前工作的基本单元中的发动机和ISG发电机不工作，只有动力电池组向外输出功率；同时只有一个驱动桥工作；
当当前需求功率为单个基本单元能够提供的最大功率的20％-80％时，发动机和ISG发电机向外输出功率，动力电池组吸收功率，两个驱动桥全部工作；
当当前需求功率超过单个基本单元能够提供的最大功率的80％时，发动机、ISG发电机和动力电池组均向外输出功率，两个驱动桥全部工作。
优选的，当只有一个驱动桥工作时，若该驱动桥故障，通过起动另外一个驱动桥的方式，保证该基本单元满足需求转矩要求；当两个驱动桥均工作时，若其中一个驱动桥故障，通过提高另外一个驱动桥转矩的方式，保证该基本单元满足需求转矩要求。
优选的，当根据驾驶员操作指令，车辆制动时，所有基本单元中的驱动桥均进入发电模式，将发电电能存储在对应的动力电池组内。
优选的，所述的轮边驱动系统包括驱动电机、减速箱、半轴和车轮；减速箱通过半轴与车轮连接；驱动电机动力通过减速箱直接传递到车轮，缩短了动力传递路线。
优选的，所述的分控制器包括驱动电机控制器、动力单元控制器、发动机控制器和ISG发电机控制器；
驱动电机控制器根据接收的需求转矩控制驱动模块工作；动力单元控制器接收需求功率，根据发动机、ISG发电机的高效区的重叠区域确定工作点，并将工作点对应的转速、转矩命令分别发送给发动机控制器和ISG发电机控制器，由发动机控制器和ISG发电机控制器完成发动机和ISG发电机控制。
优选的，总控制器与分控制器之间、以及分控制器之间通过CAN总线传输消息。
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)本发明系统采用分布式架构，各控制器之间通过CAN总线传输消息，有效减少了底盘线束数量；并可通过合理的控制器功能定义，有效降低CAN总线负载率，提高系统可靠性。
(2)本发明系统采用分布式架构，动力系统空间布置更加灵活，对降低整车高度、合理分配轴荷具有重要意义；基本单元数目可根据整车需求增减，易于在四轴到八轴底盘之间扩展。
(3)本发明多个基本单元可根据整车需求功率分时工作，功率需求低时减少工作动力单元数目，提高整车经济性；功率需求高时增加工作动力单元数目，提高整车动力性。
(4)本发明多个基本单元间的动力模块、驱动模块互为备份，提高了系统可靠性。
(5)本发明驱动模块采用全电驱动架构，驱动电机动力通过减速箱直接传递到车轮，缩短了动力传递路线，提高了传动效率；取消了传统车辆变速箱、分动箱、传动轴、差速器等结构，节省了底盘空间，为整车降高和载重量提升提供了可能。
(6)本发明驱动模块采用全电驱动架构，可在各驱动轴之间灵活分配转矩，整车需求转矩低时减少工作电机数量，提高整车经济性；整车需求转矩高时增加工作电机数量，提高整车动力性；同时，各驱动桥之间互为备份，从而提高了系统可靠性。
(7)本发明驱动模块采用轮边驱动桥，左右侧车轮可独立分配转矩，为车辆提供横摆力矩，提高多轴车辆的动态循迹能力。
附图说明
图1为本发明实施例提供的六轴特种车辆混合动力系统构型的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的控制系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，以六轴特种车辆为例对本发明作进一步说明。
参见附图1，本发明实施例提供的一种多轴特种车辆分布式混合动力系统，包括三个基本单元和主控制器；每个基本单元由两个桥组成，包括动力模块和驱动模块和各分控制器。主控制器包括驱动系统控制器和动力系统控制器；分控制器包括驱动电机控制器、动力单元控制器、发动机控制器和ISG发电机控制器。
混合动力系统采用分布式动力、驱动架构，以I桥和II桥组成的基本单元为例作进一步说明。动力模块包括发动机1、ISG发电机2、动力电池组4，驱动模块包括高压配电箱3及四个相同的轮边驱动系统，轮边驱动系统包括驱动电机5、减速箱6、半轴7和车轮8。发动机1的输出作为ISG发电机2的输入轴；驱动电机5、ISG发电机2、动力电池组4均与高压配电箱3连接；各基本单元的高压配电箱通过高压互联母线9相连，从而实现能量在各基本单元之间的传输。
主控制器中的驱动系统控制器接收驾驶员操作指令，对驾驶意图进行解析，计算驾驶员需求功率，根据当前各基本单元状态，通过能量优化分配，计算各基本单元需求功率以及需求转矩；将所述的需求功率发送至动力系统控制器，将需求转矩发送至对应的分控制器；。当车辆处于起步或低速行驶等需求功率较低的工况时，只有III桥和IV桥组成的基本单元工作；随车速增加，需求功率逐渐增加，V桥和VI桥组成的基本单元开始工作；处于急加速或高速行驶等需求功率较高的工况时，三个基本单元全部工作。具体可参照如何能量优化分配原则进行分配：
控制其中任意一个基本单元进行工作；当当前需求功率超过单个基本单元能够提供的最大功率的80％时，则增加一个基本单元协同工作，将当前需求功率平均分配至每个工作的基本单元；当分配至每个基本单元的需求功率超过其最大功率的80％时，则继续增加一个基本单元协同工作，依此类推，直至所有基本单元参与工作。
至于上述基本单元的工作顺序，可根据实际情况随意确定，最优可按如下顺序进行控制：以基本单元在车架上的位置、以车辆行进方向作为前后参考：中间位置的优先于两侧位置的；后方位置的优先于前方位置的。
同样，以I桥和II桥组成的基本单元为例作进一步说明。当需求功率较小时，发动机1和ISG发电机2不工作，只有动力电池组4向外输出功率；同时II桥不工作，只有I桥向外输出功率。当需求功率逐渐增加时，发动机1和ISG发电机2向外输出功率，动力电池4吸收功率，从而优化发动机工作点，提高发动机效率；此时，I桥和II桥均向外输出功率。当需求功率较大时，发动机1、ISG发电机2和动力电池4均向外输出功率，I桥和II桥全部工作，从而满足车辆大功率需求。制动时，I桥和II桥均进入发电模式，从而尽可能多得回收制动能量。具体上述需求功率的大小可以按照如下经验指标进行操作控制：
当当前需求功率未超过单个基本单元能够提供的最大功率的20％时，当前工作的基本单元中的发动机和ISG发电机不工作，只有动力电池组向外输出功率；同时只有一个驱动桥工作；
当当前需求功率为单个基本单元能够提供的最大功率的20％-80％时，发动机和ISG发电机向外输出功率，动力电池组吸收功率，两个驱动桥全部工作；
当当前需求功率超过单个基本单元能够提供的最大功率的80％时，发动机、ISG发电机和动力电池组均向外输出功率，两个驱动桥全部工作。
故障条件下，系统各部件互为备份，从而可获得较高可靠性。以I桥和II桥组成的基本单元发生故障为例作进一步说明。I桥故障时，可通过起动II桥驱动电机或提高II桥驱动电机需求转矩的方式，保证该基本单元满足需求功率要求。I桥和II桥均故障时，可通过起动III桥和IV桥组成的基本单元的方式，满足车辆需求功率；此时，发动机1、ISG发电机2及动力电池4仍正常工作，可通过高压互联母线9为其他基本单元提供功率。发动机1、ISG发电机2、动力电池4故障时，I桥和II桥通过高压互联母线9获得输入功率，亦可正常工作。
参见附图2，车辆分控制器采用分布式结构，各节点之间通过CAN总线完成信息交互。驱动系统控制器通过加速踏板、制动踏板、挡位、车速等信号解析驾驶员意图，计算需求功率；并根据各基本单元状态，通过能量管理策略，计算各基本单元需求功率；将各基本单元动力系统需求功率发送给动力系统控制器，将各基本单元驱动系统需求转矩直接发送给各驱动电机控制器。动力系统控制器接收各基本单元需求功率，并根据动力单元(即由发动机与ISG发电机组成的基本单元，下同)及动力电池状态，计算动力单元和动力电池需求功率，并将需求功率命令发送给动力单元控制器。动力单元控制器接收需求功率命令，根据发动机、ISG发电机联合工作效率确定工作点，并将转速、转矩命令分别发送给发动机控制器和ISG发电机控制器，由发动机控制器和ISG发电机控制器完成发动机和ISG发电机控制。
当根据驾驶员操作指令，车辆制动时，所有基本单元中的驱动桥均进入发电模式，将发电电能存储在对应的动力电池组内。
最后应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (12)

1.一种多轴特种车辆混合动力全电驱动系统，其特征在于：包括至少两个基本单元和总控制器；每个基本单元包括动力模块、驱动模块和分控制器；
总控制器，接收驾驶员操作指令，对驾驶意图进行解析，根据每个基本单元的状态，进行能量优化分配，根据能量优化分配结果向每个分控制器发送需求功率以及需求转矩；
各分控制器根据接收的需求功率控制相应的动力模块使之工作在对应的工作点；根据需求转矩控制驱动模块工作。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的总控制器包括驱动系统控制器和动力系统控制器；
驱动系统控制器，接收驾驶员操作指令，解析驾驶员意图，计算当前需求功率；并根据当前各基本单元状态，通过能量优化分配，计算各基本单元需求功率以及需求转矩；将所述的需求功率发送至动力系统控制器，将需求转矩发送至对应的分控制器；
动力系统控制器，根据接收的每个基本单元需求功率结合该基本单元下动力模块的当前状态，计算每个动力模块的需求功率，将上述需求功率发送至分控制器。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于：所述的能量优化分配具体通过下述方式实现：
控制其中任意一个基本单元进行工作；当当前需求功率超过单个基本单元能够提供的最大功率的80％时，则增加一个基本单元协同工作，将当前需求功率平均分配至每个工作的基本单元；当分配至每个基本单元的需求功率超过其最大功率的80％时，则继续增加一个基本单元协同工作，依此类推，直至所有基本单元参与工作。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：基本单元参与工作的顺序按照如下原则进行确定：
以基本单元在车架上的位置、以车辆行进方向作为前后参考：中间位置的优先于两侧位置的；后方位置的优先于前方位置的。
5.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于：所述的每个动力模块包括一个发动机、一个ISG发电机以及一个动力电池组；每个驱动模块包括高压配电箱及四个相同的轮边驱动系统，左右相对的两个轮边驱动系统构成一个驱动桥；发动机的输出轴作为ISG发电机的输入轴；每个轮边驱动系统中的驱动电机、ISG发电机、动力电池组均与高压配电箱连接；各基本单元的高压配电箱通过高压互联母线相连。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：当某一基本单元中的动力模块故障时，通过高压互联母线从其他基本单元获取需求的功率；当某一基本单元中的驱动模块故障时，动力单元继续工作，通过高压互联母线为其他基本单元提供功率。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：当当前需求功率未超过单个基本单元能够提供的最大功率的20％时，当前工作的基本单元中的发动机和ISG发电机不工作，只有动力电池组向外输出功率；同时只有一个驱动桥工作；
当当前需求功率为单个基本单元能够提供的最大功率的20％-80％时，发动机和ISG发电机向外输出功率，动力电池组吸收功率，两个驱动桥全部工作；
当当前需求功率超过单个基本单元能够提供的最大功率的80％时，发动机、ISG发电机和动力电池组均向外输出功率，两个驱动桥全部工作。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：当只有一个驱动桥工作时，若该驱动桥故障，通过起动另外一个驱动桥的方式，保证该基本单元满足需求转矩要求；当两个驱动桥均工作时，若其中一个驱动桥故障，通过提高另外一个驱动桥转矩的方式，保证该基本单元满足需求转矩要求。
9.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：当根据驾驶员操作指令，车辆制动时，所有基本单元中的驱动桥均进入发电模式，将发电电能存储在对应的动力电池组内。
10.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述的轮边驱动系统包括驱动电机、减速箱、半轴和车轮；减速箱通过半轴与车轮连接；驱动电机动力通过减速箱直接传递到车轮，缩短了动力传递路线。
11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的分控制器包括驱动电机控制器、动力单元控制器、发动机控制器和ISG发电机控制器；
驱动电机控制器根据接收的需求转矩控制驱动模块工作；动力单元控制器接收需求功率，根据发动机、ISG发电机的高效区的重叠区域确定工作点，并将工作点对应的转速、转矩命令分别发送给发动机控制器和ISG发电机控制器，由发动机控制器和ISG发电机控制器完成发动机和ISG发电机控制。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于：总控制器与分控制器之间、以及分控制器之间通过CAN总线传输消息。
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